Vilka är påståendena från den “nya” fysiken i Muon g-2-experimentet?

By | August 15, 2023

År 2021 avslöjade America’s Fermi National Accelerator Laboratory, mer känt som Fermilab, att det är något fel på myonen, elektronens tyngre bror. Denna fundamentala partikel beter sig inte på det sätt som förutspåtts av vår bästa teori om det fundamentala universum, Standardmodellen för partikelfysik. Förra veckan rapporterade Muon g-2-experimentet uppföljningsresultat som fann samma sak med ännu större noggrannhet. Betyder detta att vi behöver “ny” fysik?

Men ett steg i taget. Vad är en muon? Det är som en tjock version av elektronen: den har samma elektriska laddning men är nästan 207 gånger mer massiv. När det gäller subatomära partiklar är myoner instabila och sönderfaller på några mikrosekunder, men det räcker för att göra intressant vetenskap – framför allt när myonen accelereras till nära ljusets hastighet.

Special relativitetsteori säger oss att tiden saktar ner ju snabbare du går, så när de accelereras håller dessa partiklar kvar längre. Det är därför myoner utgör många kosmiska strålar som kan nå marken. Höghastighetsprotoner träffar atmosfären och skapar myoner. De rör sig så snabbt att de trots sin korta livslängd kan gå hela vägen ner. Myonen upptäcktes i kosmiska strålar.

Standardmodellen är vår bästa teori om partikelfysik. Han förutspådde korrekt förekomsten av många partiklar och förklarar mycket om de grundläggande krafterna som styr universum. Samtidigt är det extremt begränsat. Den inkluderar inte gravitationen eller den hypotetiska mörka materien och mörka energin som förväntas utgöra större delen av universum.

Detta kan verka som en motsägelse. Hur kan vår bästa teori vara så begränsad? Men det är faktiskt väldigt bra att ha en teori med tydliga gränser och ändå stora förklarande krafter. Problemet är att gränserna inte går att testa någonstans. Tills myonen dök upp. Och i synnerhet dess magnetiska egenskaper.

Standardmodellen har en tydlig förutsägelse för det magnetiska myonmomentet, men värdet som mättes vid Brookhaven National Laboratory tidigare detta århundrade antydde att det inte var korrekt. Forskarna beslutade att det var spännande men behövde testas ytterligare. Och det bästa stället att göra det på var Chicago, där de kunde skapa en renare myonstråle. Så de var tvungna att göra hela experimentet på en 5 000 kilometer (3 200 mil) resa från Long Island, New York till Florida och över Tennessee för att nå Fermilab utanför Chicago.

En lastbil med en överdimensionerad last är inskriven bakom den enorma erfarenhetsmagnet som upptar fler av de två körfälten på denna motorväg.  Bilden är på natten och vägen är öde förutom lastbilen och stödfordonet.

Experimentet under resans sista del.

Bildkredit: Fermilab

Arbete som utförts på Fermilab har bekräftat att det finns ett avvikande magnetiskt ögonblick och den nya dataanalysen sätter detta på en nivå av förtroende som aldrig tidigare skådats. Dess noggrannhetsnivå är en del på 200 000.

“Den här mätningen är en otrolig experimentell prestation,” sa Peter Winter, medtalesman för Muon g-2-samarbetet, i ett uttalande. “Att sänka den systematiska osäkerheten till den här nivån är en stor sak och något vi inte förväntade oss att uppnå så snart.”

Experiment förbättrar deras statistiska osäkerhet genom att samla in mer och mer data och analysera dem tillsammans. Detta värde är inte den fullständiga datamängden från Muon g-2-samarbetet. Detta kommer att slutföras under de kommande åren.

“Vår nya mätning är väldigt spännande eftersom den tar oss långt bortom Brookhavens känslighet,” tillade Graziano Venanzoni, professor vid University of Liverpool, knuten till det italienska nationella institutet för kärnfysik, Pisa, och medtalesman för Muong. – 2 st på Fermilab.

Brookhaven-mätningen och dess felstapel jämförs med Fermilab 2018-data, de nya data och det kombinerade medelvärdet i fermilab och med Brookhaven.  Detta visar hur mycket mindre osäkerheten blev i det senaste arbetet.

Anomalivärdet som det har förändrats under åren.

Bildkredit: Muon g-2-samarbete

Så vad är det som gör att det anomala magnetiska ögonblicket beter sig annorlunda än vad som förutspåtts? Forskarna jämförde det magnetiska momentet inom den teoretiska ramen, eftersom myonen kan ha olika “danspartners” som producerar värdet. Men teorin saknar helt klart en lömsk partner, en som inte är närvarande eller inte redovisas i standardmodellen. Teoretiker arbetar med detta problem och målet är att när de slutgiltiga uppgifterna tillkännages 2025 kommer även nya teoretiska förutsägelser att publiceras.

Standardmodellen fortsätter att tjäna oss mycket väl när det gäller att förstå universum, men det är verkligen spännande för oss att börja se bortom det.

Resultaten rapporteras i en ännu opublicerad artikel som har skickats till Physical Review Letters.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *